物理学助力绿色能源革命

物理学助力绿色能源革命

物理学在能源领域的应用正推动一场绿色能源革命。无论是核能还是太阳能，物理学都发挥了至关重要的作用。通过物理学的原理和技术，我们不仅提高了能源的转化效率，减少了能源浪费，还在可再生能源的开发和利用上取得了重大突破。这不仅有助于节能减排，也为全球可持续发展提供了强有力的技术支撑。让我们一起见证物理学如何改变我们的能源世界吧！

太阳能是利用阳光粒子（光子）产生能量的可再生能源。使用太阳能可以帮助组织减少能源使用，降低温室气体排放，并实现应对气候变化的净零排放目标。到 2027 年，太阳能发电量预计将超过煤炭和天然气发电量，成为替代化石燃料的主要清洁能源。1

太阳能的历史可追溯到某些最早期的文明；当时的人们会使用放大镜来汇聚太阳光线，从而进行点火。但当今背景下，太阳能却通常会追溯到光伏效应的发现之时；法国物理学家 Alexandre-Edmond Becquerel 于 1839 年首次观察到光伏效应。

Becquerel 发现，将铂或银等半导体材料暴露在太阳辐射之下时，会形成电流。进入 1880 年代，Charles Fritts 通过制作第一个太阳能电池扩展了 Becquerel 的工作。在 1954 年贝尔实验室突破性地研发出首块硅光伏电池之前，曾有若干科学家致力于太阳能的相关研发工作。如今，光伏发电已是利用太阳能的最常见方式。

太阳能在创造和维持地球生命方面发挥着至关重要的作用。例如，温室效应是一种太阳能被地球表面吸收并辐射回大气层的现象。水蒸气和二氧化碳等温室气体会吸收热量，形成一层隔热层，使地球保持温暖宜居。几乎所有生物都依赖太阳能，无论是通过光合作用等过程直接利用，还是作为食物链的一环间接利用。

在地球上，太阳能光伏 (PV) 与聚光太阳能 (CSP) 系统可用于将阳光转化为其他形式的能量；例如，电能和热能。

太阳能光伏利用光伏效应（在光照下产生电压）来发电。太阳能电池板或模块是光伏系统的常见例子，因为它可以容纳一组光伏电池（或太阳能电池）。一块光伏板上的光伏电池数量从一个到数百个不等。

每个光伏电池都包含一个由硅或其他半导体材料制成的半导体，用于产生电场。当光线被吸收后，电子会从半导体中解离出来，并以电流的形式流向外部设备。这种能量流被视为直流电 (DC)，产生的电能与接收的光线量成正比。直流电可以通过太阳能逆变器转换为交流电 (AC)，因此可以在设定电压下产生交流电。太阳能电池板系统产生的电能可以立即使用。多余的能量可以储存在太阳能电池中，或输送到电网。房主可以通过对太阳能电池板的贡献，在电费单上获得能源积分。这是通过净计量实现的。光伏系统是小规模应用中最常见的转换方式，可用于为计算器供电等简单用途。但是，它们也可以扩大规模，增加发电量。有些光伏电站可以为整个城镇提供能源。

聚光太阳能（也称为聚光太阳能热力发电）使用反射镜将太阳光反射并聚集到充满液体的接收器上。太阳能加热会提高液体的温度，通过热水产生热能。这些能量用于为发动机或旋转涡轮机提供动力，然后产生流向发电厂或补充电网的电力。

CSP 通常用于大规模公用事业和工业应用。例如，太阳能发电厂每年可通过 CSP 系统发电数百兆瓦 (MW)。不过，也可以小规模应用 CSP，例如用于太阳能炊具等设备。

PV 和 CSP 系统都被视为主动式太阳能系统，因为它们使用太阳能技术直接产生能量。

被动式能源系统则采用太阳能建筑等可持续设计方法，以利用地球的自然加热与冷却效应。当太阳全天照射地球时，木材、金属和玻璃等建筑材料便会吸收太阳能。当太阳落山、大气冷却时，建筑材料则会通过传导、对流和辐射来释放储存的热量。

建筑师和工程师可利用此热交换机制来创建高效且经济的建筑物供暖与制冷解决方案。例如，他们可能会将屋顶涂抹成白色以反射太阳的能量，或是安装日光浴室以对建筑物的某些区域进行自然加热。

在国际监管、商业和技术领域，一些与太阳能相关的进步已初露端倪。在美国，能源部正与拜登政府密切合作，力争减少储能障碍并改善脱碳工作。与此同时，加利福尼亚州和内华达州等通过税收抵免激励措施奖励房主使用太阳能的州则面临着一个极不寻常的问题：太阳能装置过多，已经超出了太阳能公司的能源需求。

在印度，Adani Green Energy 在古吉拉特邦的 Khavda 太阳能光伏园区投产了 1 千兆瓦 (GW) 太阳能发电量，这是该公司向建设 30GW 发电能力迈出的关键一步。2另一方面，总部位于英国的 Lightsource 正在希腊开发一个 560 兆瓦的太阳能光伏园区，该园区将成为欧洲第二大太阳能园区，这一称号目前由德国东部的 Witnitz 太阳能园区保持。3

太阳能冰箱可将疫苗储存在安全的温度值之下，从而助力非洲抗击疟疾的爆发。4日本正在制定计划，以便到 2025 年将太阳能从太空直接照射到地球。5这些创新之举之所以有可能实现，是因为太阳能发电的成本在过去 10 年中降低了 90%，而储能系统也得到了发展。6

风能是另一种重要的可再生能源，其开发和利用同样离不开物理学的贡献。近期，麻省理工学院（MIT）工程团队在风电机组模型方面取得了重要突破，开发了一种名为“统一动量模型”（Unified Momentum Model）的新理论。这一模型基于基础物理学原理，旨在改进和优化风电机组的设计和运行，以及风电场的布局和控制方式。

传统的动量理论（momentum theory）在极端条件下存在局限性，特别是在高压力、高速度或特定叶片角度下。MIT团队开发的统一动量模型通过结合全面的计算空气动力学建模，解决了这些制约因素，能够精确描绘风电机组叶轮的空气动力学特性。

这一突破的意义在于，新模型不仅有助于优化风电场的布局和运行，提高发电量并降低成本，而且具有立即应用的潜力。这意味着风电场可以实时优化现有的风电机组设置，而无需硬件更新，从而在确保安全的同时最大限度地提高功率输出。

核能是通过原子核的裂变或聚变释放的能量，是当前最重要的清洁能源之一。核裂变是原子核分裂成更小的原子核并释放能量的过程。在核电厂中，核反应堆控制铀-235的链式反应，产生的热能用于产生蒸汽，驱动涡轮机发电。

核能是一种低碳能源，因为与煤、石油或天然气发电厂不同，核电厂在运行中不产生二氧化碳。核反应堆生产了全球近三分之一的无碳电力，对实现气候变化目标至关重要。

尽管可再生能源的装机容量持续增长，但其消费比例仍相对较低。2023年，中国可再生能源新增装机3.7亿千瓦，占全国新增发电装机容量的82.7%，但消费比例仅占总量的19%左右。要缩小装机容量与消费比例之间的差距，关键在于通过解决关键科技问题推动能源结构调整。

可再生能源具有间歇性、波动性和季节性等特性，其不稳定性降低了利用率。储能技术是提高可再生能源消费比例的关键途径。例如，氢能作为一种化学储能方式，可以将可再生能源发出的电力储存在氢气中，不仅满足生产供能需求，还能作为原料使用。此外，液流电池等其他电化学储能方式也展现出良好的应用前景。

材料革新是提高可再生能源利用率的重要方向。例如，钙钛矿光伏材料的突破有望大幅提升光伏的光电转换效率，而固态电解槽电解水制氢技术的创新则为氢能源的发展开辟了新路径。

物理学在绿色能源革命中的贡献不仅体现在现有技术的突破上，更在于为未来的可持续发展提供了无限可能。正如诺贝尔物理学奖得主朱棣文院士所强调的，为了实现温室气体净零排放的目标，我们需要一场以100%可再生能源为动力的第四次工业革命和第四次农业革命。

这一变革需要多方面的技术创新，包括降低可再生能源成本、发展储能技术、利用分布式能源资源、开发二氧化碳转化技术、推动农业创新等。同时，人工智能等新兴技术的应用也为清洁能源转型提供了新的动力。

物理学将继续在绿色能源革命中发挥核心作用，推动能源技术的不断创新和突破，为实现全球可持续发展目标提供强有力的科技支撑。